DE102017113356A1

DE102017113356A1 - Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017113356A1
Application number: DE102017113356.9A
Authority: DE
Inventors: Marco Kiel; Stefan Lucke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Es ist eine Brennkraftmaschine 10 mit einem Verbrennungsmotor 12, einem Frischgasstrang 74, einem Abgasstrang 76 und einem Kühlsystem vorgesehen, wobei eine Abgasrückführung 24 aus dem Abgasstrang 76 abgeht und in den Frischgasstrang 74 mündet und wobei in die Abgasrückführung 24 ein AGR-Kühler 40 integriert ist. Der AGR-Kühler 40 ist zudem in einen mindestens einen Kühlkanal 28 des Verbrennungsmotors 12 umfassenden AGR-Kühlkreis des Kühlsystems integriert. Weiterhin ist eine Kurzschlussleitung 70 vorgesehen, die einen Auslass des AGR-Kühlers 40 unter Umgehung des Kühlkanals 28 des Verbrennungsmotors 12 mit einem Einlass des AGR-Kühlers 40 verbindet, um einen Kurzschlusskreis auszubilden, in den eine Kühlmittelpumpe 50 integriert ist. Eine gegebenenfalls variable Aufteilung von Kühlmittel auf entweder den AGR-Kühlkreis oder den Kurzschlusskreis ist mittels einer Steuervorrichtung 68 steuerbar oder regelbar. Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht, Kühlmittel mittels der Kühlmittelpumpe 50 in dem Kurzschlusskreis zu fördern, wodurch eine nur relativ geringe Menge (im Vergleich zu einer Förderung in dem AGR-Kühlkreis) in einem den AGR-Kühler 40 umfassenden Kreislauf gefördert wird. Diese relativ geringe Menge des Kühlmittels kann sich dementsprechend relativ schnell in dem AGR-Kühler 40 infolge eines Übergangs von Wärmeenergie von dem die Abgasrückführung 24 durchströmendem Abgas erwärmen, wodurch die Gefahr einer Bildung von Kondensat im Bereich des AGR-Kühlers 40 verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor und mit einem Kühlsystem. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug weist in der Regel ein Kühlsystem auf, in dem ein Kühlmittel mittels einer oder mehrerer Kühlmittelpumpen in mindestens einem Kühlkreis gefördert wird und dabei Wärmeenergie von in den Kühlkreis integrierten Komponenten, u.a. einem Verbrennungsmotor, aufnimmt. Diese Wärmeenergie wird (nach dem Erreichen eines Betriebstemperaturbereichs der Brennkraftmaschine) anschließend in einem Umgebungswärmetauscher, dem sogenannten Haupt(wasser)kühler, sowie zeitweise in einem Heizungswärmetauscher an die Umgebungsluft, im Fall des Heizungswärmetauschers an die zur Klimatisierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs vorgesehene Umgebungsluft, abgegeben.
Eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug kann weiterhin einer Abgasrückführung aufweisen, mittels der ein Teil des von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine erzeugten Abgases aus einem Abgasstrang der Brennkraftmaschine in einen Frischgasstrang der Brennkraftmaschine zurückgeführt werden kann, wodurch insbesondere die Schadstoffemissionen im Betrieb der Brennkraftmaschine gering gehalten werden sollen. Bekannt ist der Einsatz einer sogenannten Hochdruck-Abgasrückführung, bei der die Abgasrückführung stromauf einer in den Abgasstrang integrierten Turbine eines Abgasturboladers aus dem Abgasstrang abzweigt und stromab eines in den Frischgasstrang integrierten Verdichters des Abgasturboladers in den Frischgasstrang mündet. Weiterhin ist der Einsatz einer sogenannten Niederdruck-Abgasrückführung bekannt, bei der die Abgasrückführung stromab der Turbine eines Abgasturboladers aus dem Abgasstrang abzweigt und stromauf des Verdichters des Abgasturboladers in den Frischgasstrang mündet. Um eine zu hohe Temperatur des dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischgases, bei dem es sich bei aktivierter Abgasrückführung um ein Luft-Abgas-Gemisch handelt, zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass in eine Abgasrückführung ein (AGR-)Kühler integriert ist, der als Wärmetauscher einen Übergang von Wärmeenergie von dem rückzuführenden Abgas auf ein den Wärmetauscher ebenfalls durchströmendes Kühlmittel ermöglicht. Üblicherweise ist ein derartiger AGR-Kühler in ein auch Kühlkanäle des Verbrennungsmotors umfassendes Kühlsystem der Brennkraftmaschine integriert.
Ein Problem, dass sich bei der Integration einer Abgasrückführung in eine Brennkraftmaschine stellen kann, liegt in der Bildung von Kondensat, d.h. der Bildung/Ansammlung einer aus dem über die Abgasrückführung geführten Abgas auskondensierten Flüssigkeit, in der Abgasrückführung. Diese Flüssigkeit könnte zu einer Korrosion der mit dieser in Kontakt kommenden Bauteile führen. Weiterhin könnte ein solches Kondensat in stromab der Mündung der Abgasrückführung gelegene Komponenten des Frischgasstrangs und insbesondere in den Verbrennungsmotor eingetragen werden, was mit Problemen verbunden sein kann. Eine Bildung von Kondensat in einer Abgasrückführung kann sich insbesondere im Bereich eines in die Abgasrückführung integrierten AGR-Kühlers ergeben, wenn, beispielsweise nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, der AGR-Kühler von relativ kaltem Kühlmittel durchströmt wird und dementsprechend eine besonders hohe Kühlwirkung für das den AGR-Kühler durchströmende Abgas aufweist.
Die EP 2 196 661 B1 offenbart eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlsystem sowie einem davon hydraulisch entkoppelten System zur Rückgewinnung von Wärmeenergie von Abgas, das von einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine erzeugt wurde. In das Wärmerückgewinnungssystem ist ein Hochdruck-AGR-Kühler integriert.
Die GB 2507342 B offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlsystem, das einen Hauptkühlkreis sowie einen Hilfskühlkreis umfasst, wobei in den Hilfskühlkreis eine Hilfskühlmittelpumpe, ein AGR-Kühler sowie ein Motorölkühler integriert sind. Die Hilfskühlmittelpumpe wird in Abhängigkeit einer Temperatur des Motoröls angesteuert.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine mit einer einen AGR-Kühler umfassenden Abgasrückführung eine Kondensatbildung aus über die Abgasrückführung geführtem Abgas möglichst zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird mittels einer Brennkraftmaschine gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennkraftmaschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und damit des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und/oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor (insbesondere Dieselmotor oder Ottomotor), einem Frischgasstrang, einem Abgasstrang und einem Kühlsystem vorgesehen, wobei eine Abgasrückführung aus dem Abgasstrang abgeht und in den Frischgasstrang mündet und wobei in die Abgasrückführung ein AGR-Kühler integriert ist. Der AGR-Kühler ist zudem in einen mindestens einen Kühlkanal des Verbrennungsmotors umfassenden AGR-Kühlkreis des Kühlsystems integriert. Weiterhin ist eine Kurzschlussleitung vorgesehen, die einen Auslass des AGR-Kühlers unter Umgehung des Kühlkanals des Verbrennungsmotors mit einem Einlass des AGR-Kühlers verbindet, um einen Kurzschlusskreis auszubilden, in den eine Kühlmittelpumpe integriert ist. Eine gegebenenfalls variable Aufteilung von Kühlmittel auf entweder den AGR-Kühlkreis oder den Kurzschlusskreis ist mittels einer Steuervorrichtung steuerbar oder regelbar.
Eine solche Brennkraftmaschine ermöglicht, Kühlmittel mittels der Kühlmittelpumpe in dem Kurzschlusskreis zu fördern, wodurch eine nur relativ geringe Menge (im Vergleich zu einer Förderung in dem AGR-Kühlkreis) in einem den AGR-Kühler umfassenden Kreislauf gefördert wird. Diese relativ geringe Menge des Kühlmittels kann sich dementsprechend relativ schnell in dem AGR-Kühler infolge eines Übergangs von Wärmeenergie von dem die Abgasrückführung durchströmendem Abgas erwärmen, wodurch die Gefahr einer Bildung von Kondensat im Bereich des AGR-Kühlers verringert wird. Dies ist auf eine möglichst schnelle Reduzierung einer zunächst recht großen Differenz der Temperaturen des den AGR-Kühler durchströmenden Kühlmittels und des den AGR-Kühler durchströmenden Abgases zurückzuführen.
Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung derart ausgebildet ist, dass diese bei einer Temperatur des Kühlmittels unterhalb eines Grenzwerts oder eines Grenzwertbereichs das Kühlmittel zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig über den Kurzschlusskreis und bei einer Temperatur des Kühlmittels oberhalb des Grenzwerts oder des Grenzwertbereichs zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig über den AGR-Kühlkreis führt. Dabei kann der Grenzwertbereich beispielsweise zwischen 65°C und 85°C, vorzugsweise zwischen 70°C und 80°C, liegen.
Wenn das den AGR-Kühler durchströmende Kühlmittel nach dem Erreichen eines Grenzwerts (gegebenenfalls eines unteren Grenzwert eines Grenzwertbereichs) für dessen Temperatur über den AGR-Kühlkreis geführt wird, kann dieses insbesondere auch durch einen in den AGR-Kühlkreis integrierten Umgebungswärmetauscher, der einer Rückkühlung des Kühlmittels durch einen Übergang von Wärmeenergie an Umgebungsluft dient, geführt werden, um eine Überhitzung des Kühlmittels zu vermeiden und damit die Funktion des AGR-Kühlers aufrechtzuerhalten. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Kühlmittel, das den AGR-Kühler durchströmt hat, bei der Durchströmung des AGR-Kühlkreises mit Kühlmittel, das bei der Durchströmung eines anderen Kühlkreises des Kühlsystems einen solchen Umgebungswärmetauscher, insbesondere einen Haupt(wasser)kühler des Kühlsystems, durchströmt hat, vermischt wird, um eine Überhitzung des den AGR-Kühlkreis durchströmenden Kühlmittels zu vermeiden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Abgasrückführung als Hochdruck-Abgasrückführung stromauf einer Turbine aus dem Abgasstrang abgeht und stromab eines Verdichters in den Frischgasstrang mündet. Die optionale beziehungsweise temporäre Zirkulation von Kühlmittel in einem erfindungsgemäßen Kurzschlusskreis kann insbesondere bei einer Hochdruck-Abgasrückführung vorteilhaft umgesetzt werden, weil bei einer solchen infolge der relativ hohen Temperatur des rückzuführenden Abgases die Gefahr einer Kondensatbildung bei einer zu starken Kühlung des Abgases mittels des AGR-Kühlers besonders ausgeprägt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass der Kurzschlusskreis ausschließlich den AGR-Kühler als Wärmetauschkomponente, d.h. als eine funktional explizit oder ausschließlich für einen Wärmetauscher vorgesehene Komponente, umfasst. Dadurch kann der Kurzschlusskreis zum einen besonders kurz ausgebildet und damit auch die Menge des darin zirkulierenden Kühlmittels besonders gering gehalten werden. Weiterhin kann dadurch vermieden werden, dass Wärmeenergie, die in dem AGR-Kühler auf das diesen durchströmende Kühlmittel übergegangen ist, in einer weiteren Wärmetauschkomponente aus dem Kühlmittel wieder abgezogen wird. Folglich kann durch eine solche Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ein besonders schnelles Aufwärmen des in dem Kurzschlusskreis geförderten Kühlmittels erreicht und dadurch eine Kondensatbildung im rückzuführenden Abgas möglichst vermieden werden.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung ein Thermostatventil, d.h. ein selbsttätig temperaturabhängig regelndes Ventil, umfasst (beziehungsweise als ein solches ausgebildet ist). Die selbstständig regelnde Funktion eines solchen Thermostatventils kann insbesondere auf einem Dehnstoffelement beruhen („Dehnstoff-Thermostatventil“), das sich in Abhängigkeit von dessen Körpertemperatur in unterschiedlichem Maße ausdehnt und dabei einen Ventilkörper in unterschiedliche Schließstellungen bewegt. Die Körpertemperatur des Dehnstoffelement kann dabei infolge eines direkten oder indirekten Kontakts mit dem Kühlmittel zumindest annähernd der Temperatur des Kühlmittels entsprechen oder diese kann zumindest einen Indikator für die Temperatur des Kühlmittels darstellen. Die Verwendung eines Thermostatventils als Steuervorrichtung kann infolge der selbsttätigen Regelung eine konstruktiv relativ einfache Ausgestaltung einer entsprechenden erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ermöglichen. Ergänzend oder alternativ besteht auch die Möglichkeit einer aktiv ansteuerbaren Ausgestaltung der Steuervorrichtung, so dass mittels einer Steuerungseinheit, beispielsweise einer zentralen Motorsteuerung der Brennkraftmaschine, die Steuervorrichtung, beispielsweise ein ansteuerbares Ventil, dahingehende eingestellt wird, ob und gegebenenfalls auch in welchem Ausmaß Kühlmittel über den Kurzschlusskreis geführt wird. Bei einer Steuervorrichtung, die sowohl ein Thermostatventil umfasst als auch aktiv ansteuerbar ausgestaltet ist, kann vorgesehen sein, die grundsätzliche selbsttätige Regelung mittels des Thermostatventils bedarfsweise und insbesondere temporär mittels der aktiven Ansteuerung zu übersteuern.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der AGR-Kühlkreis eine unterbrechungsfreie Verbindung des AGR-Kühlers mit einem Auslass und mit einem Einlass des Kühlkanals des Verbrennungsmotors ausbildet. Folglich soll in den AGR-Kühlkreis zwischen einerseits dem AGR-Kühler und andererseits sowohl dem Auslass als auch dem Einlass des Kühlkanals des Verbrennungsmotors (jeweils) keine Komponente integriert sein, mittels der eine Unterbrechung einer Strömung des Kühlmittels von dem AGR-Kühler zu dem Kühlkanal des Verbrennungsmotors sowie von dem Kühlkanal des Verbrennungsmotors zu dem AGR-Kühler möglich ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass, sofern mittels der Steuervorrichtung eine Integration des AGR-Kühlers in den AGR Kühlkreislauf vorgesehen ist, das den AGR-Kühler durchströmende Kühlmittel stets auch den Kühlkanal des Verbrennungsmotors durchströmt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das aus dem Kühlkanal des Verbrennungsmotors mit einer bestimmten Temperatur austretende Kühlmittel mit im Wesentlichen derselben Temperatur den AGR-Kühler durchströmt. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass es sich bei dem entsprechend mit dem AGR-Kühler verbundenen Kühlkanal des Verbrennungsmotors um einen Kühlkanal eines Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors handelt.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst zumindest eine vorzugsweise zur Erzeugung einer Fahrantriebsleistung vorgesehene, erfindungsgemäße Brennkraftmaschine. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein radbasiertes Kraftfahrzeug (vorzugsweise PKW oder LKW) handeln.
Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

1: ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug; und
2: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine schematisch in einem Schaltbild.

Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 10.
Eine solche erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 10 kann gemäß der 2 einen Verbrennungsmotor 12 aufweisen, der beispielsweise als nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip arbeitender Hubkolben-Verbrennungsmotor ausgebildet sein kann und der ein Zylindergehäuse 14 mit darin ausgebildeten Zylindern 16 sowie einen Zylinderkopf 18 umfasst. Weiterhin weist die Brennkraftmaschine 10 gemäß der 2 noch ein Hauptkühlsystem und ein Nebenkühlsystem auf.
Das Hauptkühlsystem dient einer (direkten) Kühlung des Verbrennungsmotors 12, von Motoröl zur Schmierung des Verbrennungsmotors 12, von (Getriebe-)ÖI eines dem Verbrennungsmotor 12 zugeordneten (manuellen oder automatischen) Schaltgetriebes (nicht dargestellt), eines Abgasturboladers 20, insbesondere eines Lagerstuhls des Abgasturboladers 20, sowie von Abgas, das entweder über eine Niederdruck-Abgasrückführung 22 oder eine Hochdruck-Abgasrückführung 24 rückgeführt wird. Das Hauptkühlsystem umfasst hierzu Kühlkanäle 26, 28 des Zylindergehäuses 14 und des Zylinderkopfs 18, einen Motorölkühler 30, einen Getriebeölkühler 32, einen Kühler für den Abgasturbolader (ATL-Kühler) 34, einen Kühler für ein (bzw. einen Kühlkanal in einem) Abgasrückführventil 36 sowie jeweils einen AGR-Kühler für die Niederdruck-Abgasrückführung 22 (ND-AGR-Kühler 38) und die Hochdruck-Abgasrückführung 24 (HD-AGR-Kühler 40). Weiterhin umfasst das Hauptkühlsystem einen Hauptkühler 42, drei Kühlmittelpumpen 46, 48, 50 sowie einen Heizungswärmetauscher 44. Der Hauptkühler 42 dient dazu, das diesen durchströmende Kühlmittel durch den Übergang von Wärmeenergie auf Umgebungsluft, die den Hauptkühler ebenfalls durchströmt, rückzukühlen. Der Heizungswärmetauscher 44 dient dagegen dazu, bei Bedarf Umgebungsluft, die zur Klimatisierung eines Innenraums eines die Brennkraftmaschine 10 umfassenden Kraftfahrzeugs (gemäß beispielsweise der 1) aufzuwärmen und dadurch zu temperieren. Von den drei Kühlmittelpumpen des Hauptkühlsystems ist eine als Hauptkühlmittelpumpe 46 vorgesehen, die entweder elektromotorisch oder, vorzugsweise, direkt oder indirekt von einer Abtriebswelle (insbesondere einer Kurbelwelle; nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 12, d.h. mechanisch angetrieben sein kann. Auch bei einem solchen mechanischen Antrieb der Hauptkühlmittelpumpe 46 kann diese hinsichtlich der spezifischen (d.h. jeweils auf die Antriebsdrehzahl bezogenen) Förderleistung steuerbar oder regelbar sowie zudem abschaltbar (d.h. trotz Drehantriebs ohne relevante Förderleistung) ausgebildet sein. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass im abgeschalteten Zustand der Hauptkühlmittelpumpe 46 deren Durchströmung verhindert ist. Die zwei weiteren (Zusatz-)Kühlmittelpumpen 48, 50 des Hauptkühlsystems können dagegen insbesondere elektromotorisch angetrieben sein.
Die verschiedenen Wärmetauschkomponenten sowie die Kühlmittelpumpen 46, 48, 50 sind in verschiedene Kühlkreise des Hauptkühlsystems integriert. Ein Hauptkühlkreis umfasst die Kühlkanäle 26, 28 des Zylinderkopfs 18 und des Zylindergehäuses 14, den Hauptkühler 42, einen den Hauptkühler 42 umgehenden Bypass 52 und die Hauptkühlmittelpumpe 46. Die Kühlkanäle 26, 28 des Zylinderkopfs 18 und des Zylindergehäuses 14 sind dabei parallel in den Hauptkühlkreis integriert. Mittels einer ersten Steuervorrichtung 54 in Form eines (selbsttätig regelnden) Thermostatventils (Öffnungstemperatur: 105 °C) sowie mittels einer zweiten Steuervorrichtung 56 in Form eines mittels einer Steuerungseinheit 58 ansteuerbaren Steuerventils kann beeinflusst werden, ob und in welchem Ausmaß auch der Kühlkanal 26 des Zylindergehäuses 14 von dem Kühlmittel durchströmt wird (wenn der Kühlkanal 28 des Zylinderkopfs 18 durchströmt wird). Mittels einer dritten Steuervorrichtung 60, die ebenfalls in Form eines mittels der Steuerungseinheit 58 ansteuerbaren Steuerventils ausgebildet ist, kann beeinflusst werden, ob und, wenn ja, in welchem Ausmaß Kühlmittel, das u.a. in dem Hauptkühlkreis strömt, über den Hauptkühler 42 oder den dazugehörigen Bypass 52 geführt wird
Weiterhin ist ein erster Nebenkühlkreis vorgesehen, der eine Nebenstrecke umfasst, die unmittelbar stromab (bezogen auf eine vorgesehene Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Hauptkühlkreis) eines Auslasses des Kühlkanals 28 des Zylinderkopfs 18 aus einem Abschnitt des Hauptkühlkreises abgeht und stromauf der dritten Steuervorrichtung 60 wieder in einen Abschnitt des Hauptkühlkreises mündet. Der Abschnitt des Hauptkühlkreises zwischen dem Abzweig und der Mündung dieser Nebenstrecke des ersten Nebenkühlkreises ist mittels einer vierten Steuervorrichtung 62, die in Form eines mittels der Steuerungseinheit 58 ansteuerbaren Steuerventils ausgebildet ist, verschließbar, so dass bedarfsweise mittels dieser vierten Steuervorrichtung 62 eine Durchströmung dieses Abschnitts des Hauptkühlkreises (und damit des Hauptkühlkreises insgesamt) unterbunden werden kann. In den ersten Nebenkühlkreis ist eine erste (48) der Zusatzkühlmittelpumpen 48, 50 integriert. Stromab bezüglich dieser ersten Zusatzkühlmittelpumpe 48 teilt sich der erste Nebenkühlkreis in zwei parallel verlaufende Stränge auf, wobei in einen ersten dieser Stränge der ND-AGR-Kühler 38 und stromab davon der Heizungswärmetauscher 44 integriert sind und in den zweiten Strang der ATL-Kühler 34 integriert ist. Die zwei Stränge der Nebenstrecke des ersten Nebenkühlkreises werden vor deren Mündung in den Hauptkühlkreis wieder zusammengeführt.
Das Hauptkühlsystem umfasst weiterhin einen zweiten Nebenkühlkreis. Eine Nebenstrecke des zweiten Nebenkühlkreises, in die der Kühler (Kühlkanal) für das Abgasrückführventil 36 integriert ist, geht in der Nähe des Auslasses des Kühlkanals 28 des Zylinderkopfs 18 ab, wobei in diesen Abzweig eine Drossel 64 zur Begrenzung der Menge des den zweiten Nebenkühlkreis durchströmenden Kühlmittels erzielt werden soll. Die Nebenstrecke des zweiten Nebenkühlkreises mündet stromauf der Hauptkühlmittelpumpe 46 (sowie stromab des Hauptkühlers 42 und stromauf der Mündung des zu dem Hauptkühler 42 gehörenden Bypasses 52) in einen Abschnitt des Hauptkühlkreises.
Ein dritter Nebenkühlkreis umfasst eine Nebenstrecke, die im Bereich der Verzweigung zwischen den Kühlkanälen 26, 28 des Zylinderkopfs 18 und des Zylindergehäuses 14 abgeht und stromauf der Hauptkühlmittelpumpe 46 (sowie stromab des Hauptkühlers 42 und der Mündung des zu dem Hauptkühler 42 gehörenden Bypasses 52) wieder in einen Abschnitt des Hauptkühlkreises mündet. In diese Nebenstrecke ist der Motorölkühler 30 integriert.
Ein vierter Nebenkühlkreis umfasst eine Nebenstrecke, die aus der Nebenstrecke des dritten Nebenkühlkreises abgeht und die eine fünfte Steuervorrichtung 66 in Form eines Thermostatventils (Öffnungstemperatur: 75 °C) sowie den Getriebeölkühler 32 integriert. Die Nebenstrecke des vierten Nebenkühlkreises mündet ebenfalls stromauf der Hauptkühlmittelpumpe 46 (sowie stromab des Hauptkühlers 42 und stromauf der Mündung des zu dem Hauptkühler 42 gehörenden Bypasses 52) in einen Abschnitt des Hauptkühlkreises.
Ein fünfter Nebenkühlkreis des Hauptkühlsystems stellt einen AGR-Kühlkreis der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine dar. Eine Nebenstrecke dieses AGR-Kühlkreises geht (stromauf der ersten Zusatzkühlmittelpumpe 48) aus der Nebenstrecke des ersten Nebenkühlkreises ab und integriert die zweite Zusatzkühlmittelpumpe 50 sowie stromab davon den HD-AGR-Kühler 40. Stromab des HD-AGR-Kühlers 40 ist eine sechste Steuervorrichtung 68 in Form eines Thermostatventils (Umschalttemperatur zwischen 70°C und 80°C) angeordnet. Mittels dieser sechsten Steuervorrichtung kann Kühlmittel, das den HD-AGR-Kühler 40 durchströmt hat, temperaturabhängig auf entweder einen Endabschnitt der Nebenstrecke des AGR-Kühlkreises oder auf eine Kurzschlussleitung 70, die stromauf der zweiten Zusatzkühlmittelpumpe 50 in einen Anfangsabschnitt der Nebenstrecke des AGR-Kühlkreises mündet, aufgeteilt werden.
Das Nebenkühlsystem dient einer Kühlung des mittels des Abgasturboladers 20 aufgeladenen Frischgases (Ladeluft), das dem Verbrennungsmotor 12 über einen Frischgasstrang 74 der Brennkraftmaschine 10 zugeführt wird, sowie eines Dosierventils 72, mittels dessen ein Reduktionsmittel in Abgas, das einen Abgasstrang 76 der Brennkraftmaschine 10 durchströmt, eingebracht werden kann, um mittels selektiver katalytischer Reduktion eine Verringerung von Schadstoffen, insbesondere von Stickoxiden, des Abgases zu erreichen. Der zur Kühlung der Ladeluft vorgesehene Ladeluftkühler 78 einerseits und der zur Kühlung des Dosierventils 72 vorgesehene Kühlkanal andererseits sind in parallele Stränge eines Kühlkreises des Nebenkühlsystems integriert. Weiterhin ist in diesen Kühlkreis (in demjenigen Abschnitt, der nicht in die zwei Stränge aufgeteilt ist) eine elektromotorisch antreibbare Kühlmittelpumpe 80 sowie ein Zusatzkühler 82, der der Rückkühlung des den Kühlkreis des Nebenkühlsystems durchströmenden Kühlmittels durch einen Übergang von Wärmeenergie auf den Zusatzkühler 82 durchströmende Umgebungsluft dient, integriert. Der Zusatzkühler 82 ist mittels eines Bypasses 84 umgehbar, wobei eine Aufteilung des den Kühlkreis des Nebenkühlsystems durchströmenden Kühlmittels auf entweder den Zusatzkühler 82 oder den dazugehörigen Bypass 84 mittels einer siebten Steuervorrichtung 86, die als Thermostatventil oder als mittels einer Steuerungseinheit ansteuerbares Steuerventil ausgebildet sein kann, veränderbar ist.
Die Temperatur des Kühlmittels kann während eines regulären Betriebs der Brennkraftmaschine 10 in dem Hauptkühlsystem zumindest abschnittsweise deutlich höher als in dem Nebenkühlsystem sein, so dass ersteres regelmäßig auch als Hochtemperaturkühlsystem und letzteres als Niedertemperaturkühlsystem bezeichnet wird.
Das Kühlsystem umfasst weiterhin einen Ausgleichsbehälter 88, der teilweise mit dem Kühlmittel und teilweise mit Luft gefüllt ist. Über eine Verbindungsleitung 90, die aus einem das Kühlmittel aufnehmenden (unteren) Abschnitts des Ausgleichsbehälters 88 abgeht, ist der Ausgleichsbehälter 88 sowohl mit dem Hauptkühlkreis des Hauptkühlsystems als auch mit dem Kühlkreis des Nebenkühlsystems fluidleitend verbunden. Weiterhin verbinden Entlüftungsleitungen 92, unter Zwischenschaltung entweder einer oder mehrerer Rückschlagventile 94 oder einer Drossel 64, den HD-AGR-Kühler 40, den Hauptkühler 42, den Kühlkanal 28 des Zylinderkopfs 18 sowie den Ladeluftkühler 78 mit dem die Luft aufnehmenden (oberen) Abschnitt des Ausgleichsbehälters 88.
Das Hauptkühlsystem des Kühlsystems gemäß der 1 kann beispielsweise folgendermaßen betrieben werden.
Während einer Warmlaufphase, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, wenn folglich das Kühlmittel im gesamten Kühlsystem eine relativ niedrige Temperatur aufweist, kann vorgesehen sein, die Hauptkühlmittelpumpe 46 nicht zu betreiben, wodurch oder wobei diese zudem abgeschaltet ist und folglich nicht durchströmt werden kann. Gleichzeitig kann während dieser Warmlaufphase die erste Zusatzkühlmittelpumpe 48 (mit variabler Förderleistung) betrieben werden, wodurch Kühlmittel (in Verbindung mit einer unterbrechenden Stellung der vierten Steuervorrichtung 62) in dem ersten Nebenkühlkreis gefördert wird. Das Kühlmittel durchströmt dabei den in die Nebenstrecke des ersten Nebenkühlkreises integrierten ATL-Kühler 34, den ND-AGR-Kühler 38 und den Heizungswärmetauscher 44. Weiterhin durchströmt dieses Kühlmittel (vollständig) den ebenfalls einen Abschnitt des ersten Nebenkühlkreises darstellenden Bypass 52 zu dem Hauptwasserkühler 42 (infolge einer entsprechenden Stellung der dritten Steuervorrichtung 60), weiterhin die Nebenstrecke des dritten Nebenkühlkreises (in einer Strömungsrichtung, die zu derjenigen in einem Regelbetrieb entgegengesetzt ist), wobei eine Durchströmung des Motorölkühlers 30 optional durch die Integration eines entsprechenden Bypasses (nicht dargestellt) in diese Nebenstrecke verhindert sein kann, sowie den Kühlkanal 28 des Zylinderkopfs18. Eine Durchströmung auch des Kühlkanals 26 des Zylindergehäuses 14, mit Ausnahme einer relativ kleinen Pilotströmung zur Temperierung der als Thermostatventil ausgebildeten ersten Steuervorrichtung 54, ist dabei in der Regel durch entsprechende Stellungen der ersten Steuervorrichtung 54 und der zweiten Steuervorrichtung 56 verhindert. In Ausnahmesituationen, insbesondere wenn trotz der Warmlaufphase ein Betrieb des Verbrennungsmotors 12 mit hohen Lasten, insbesondere Volllast, vorgesehen ist, kann aber auch vorgesehen sein, die zweite Steuervorrichtung 56 mittels der Steuerungseinheit 58 in eine freigebende Stellung zu verstellen, um auch eine Durchströmung des Kühlkanals 26 des Zylindergehäuses 14 zu gewährleisten. In Abhängigkeit von der Temperatur des den ersten Nebenkühlkreis durchströmenden Kühlmittels wird während der Warmlaufphase mittels der fünften Steuervorrichtung 66 eine Durchströmung der Nebenstrecke des vierten Nebenkühlkreises und folglich des Getriebeölkühlers 32 zumindest anfangs verhindert.
Infolge der Durchströmung des ebenfalls einen Abschnitt des ersten Nebenkühlkreises darstellenden Kühlkanals 28 des Zylinderkopfs 18 wird auch der zweite Nebenkühlkreis mit dem darin integrierten Kühler (Kühlkanal) für das Abgasrückführventil 36 durchströmt.
Während der Warmlaufphase ist weiterhin vorgesehen, dass die sechste Steuervorrichtung 68 derart eingestellt ist, dass Kühlmittel mittels der hierzu betriebenen zweiten Zusatzkühlmittelpumpe 50 in dem im Übrigen lediglich noch den HD-AGR-Kühler 40 sowie die Kurzschlussleitung 70 umfassenden Kurzschlusskreis gefördert wird.
Während eines Regelbetriebs der Brennkraftmaschine 10 wird die Hauptkühlmittelpumpe 46 (mit variabler spezifischer Förderleistung) betrieben und Kühlmittel zumindest zeitweise in sämtlichen der Kühlkreise des Hauptkühlsystems gefördert. Die zwei Zusatzkühlmittelpumpen 48, 50 des Hauptkühlsystems können dabei bedarfsweise zur Unterstützung der Hauptkühlmittelpumpe 46 ebenfalls betrieben werden. Für die zweite Zusatzkühlmittelpumpe 50 gilt dies jedoch erst, nachdem die sechste Steuervorrichtung 68 derart umgeschaltet hat, dass eine Strömung von Kühlmittel in dem AGR-Kühlkreis zugelassen ist. Bevor dies vorgesehen ist, wird die zweite Zusatzkühlmittelpumpe 50 betrieben, um Kühlmittel (auch noch während eines Regelbetriebs der Brennkraftmaschine 10) innerhalb des Kurzschlusskreises zu fördern.
Während eines Regelbetriebs der Brennkraftmaschine 10 wird der Hauptkühlkreis permanent durchströmt, wobei stets eine Durchströmung des Kühlkanals 28 des Zylinderkopfs 18 vorgesehen ist, während eine Durchströmung auch des Kühlkanals 26 des Zylindergehäuses 14 (sofern nicht in Ausnahmesituationen die zweite Steuervorrichtung in die freigebende Stellung verstellt ist) erst mittels der ersten Steuervorrichtung 64 freigegeben wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlkanal 26 des Zylindergehäuses 14 die Temperatur von ca. 105°C erreicht hat.
Mittels der dritten Steuervorrichtung 60 erfolgt während des Regelbetriebs der Brennkraftmaschine 10 weiterhin eine variable Aufteilung des den Hauptkühlkreis durchströmenden Kühlmittels auf entweder den Hauptkühler 42 oder den dazugehörigen Bypass 52, wodurch eine Solltemperatur für das den Kühlkanal 28 des Zylinderkopfs 18 verlassende Kühlmittel von ca. 90°C eingestellt werden kann.
Während des Regelbetriebs der Brennkraftmaschine 10 wird zudem der erste Nebenkühlkreis mit dem darin integrierten ATL-Kühler 34, dem ND-AGR-Kühler 38 und dem Heizungswärmetauscher 44 permanent durchströmt. Durch einen angepassten Betrieb der ersten Zusatzkühlmittelpumpe 48 kann dabei der Volumenstrom des Kühlmittels durch den Nebenstrang des ersten Nebenkühlkreises auch in Überlagerung zu der Förderleistung der Hauptkühlmittelpumpe 46 angepasst werden. Dies kann insbesondere zur Erzielung eines ausreichenden Wärmeübergangs in dem Heizungswärmetauscher 44 und damit einer ausreichenden Heizfunktionalität für die Innenraumheizung eines die Brennkraftmaschine 10 umfassenden Kraftfahrzeugs relevant sein.
Auch der zweite Nebenkühlkreis mit dem darin integrierten Kühler (Kühlkanal) für das Abgasrückführventil 36 und der dritte Nebenkühlkreis mit dem darin integrierten Motorölkühler 30 werden permanent durchströmt.
Für den vierten Nebenkühlkreis mit dem darin integrierten Getriebeölkühler 32 gilt dies dagegen nur dann, sofern die Temperatur des an der ebenfalls in die Nebenstrecke des vierten Nebenkühlkreises integrierten fünften Steuervorrichtung 66 anliegenden Kühlmittels mindestens 75°C beträgt, so dass dann die fünfte Steuervorrichtung 66 (temperaturabhängig variabel) eine Durchströmung auch des Getriebeölkühlers 32 zulässt. Auch hier kann in der verschließenden Stellung eine relativ kleine Pilotströmung zur Temperierung der als Thermostatventil ausgebildeten fünften Steuervorrichtung 66 vorgesehen sein.
Auch der AGR-Kühlkreis wird nur dann durchströmt, wenn die Temperatur des zuvor in dem Kurzschlusskreis geförderten Kühlmittels mindestens die dazugehörige Grenztemperatur, die zwischen 70°C und 80°C liegen kann, erreicht hat. Sobald die sechste Steuervorrichtung 68 eine zumindest teilweise Durchströmung des AGR-Kühlkreises freigegeben hat, wird der HD-AGR-Kühler 40 permanent mit Kühlmittel beaufschlagt, dessen Temperatur im Wesentlichen derjenigen entspricht, die im Auslass des Kühlkanals 28 des Zylinderkopfs 18 erreicht wurde und die insbesondere ca. 90°C betragen kann.
Für den Kühlkanal 26 des Zylindergehäuses 14, für die Nebenstrecke des vierten Nebenkühlkreises und damit den Getriebeölkühler 32 sowie für die Nebenstrecke des AGR-Kühlkreises gilt, dass die jeweilige Durchströmung mittels der entsprechenden Steuervorrichtungen 54, 66, 68 wieder unterbrochen werden kann, sofern die jeweils zugehörige Grenz- beziehungsweise Öffnungstemperatur unterschritten worden ist.
Eine Durchströmung des Kühlkreises des Nebenkühlsystems wird mittels der darin integrierten Kühlmittelpumpe 80 bedarfsgerecht und unabhängig von den Steuerungen/Regelungen des Hauptkühlsystems bewirkt.
Das Kühlsystem der Brennkraftmaschine 10 ermöglicht auch eine Nachheizfunktionalität bei nicht mehr betriebenem Verbrennungsmotor 12, indem Kühlmittel mittels der ersten Zusatzkühlmittelpumpe 48 in dem dann gegebenenfalls auch den Hauptkühler 42 umfassenden ersten Nebenkühlkreis gefördert wird, wodurch die noch in insbesondere dem Hauptkühler 42, dem Zylinderkopf 18 und dem ND-AGR-Kühler 38 enthaltene Wärmeenergie in dem Heizungswärmetauscher 44 zur Temperierung des Innenraums eines die Brennkraftmaschine 10 umfassenden Kraftfahrzeugs genutzt werden kann.
Weiterhin ermöglicht das Kühlsystem auch eine Nachkühlfunktionalität bei nicht mehr betriebenem, zuvor thermisch hoch belastetem Verbrennungsmotor 12, indem Kühlmittel mittels der ersten Zusatzkühlmittelpumpe 48 in dem dann auch den Hauptkühler 42 umfassenden ersten Nebenkühlkreis gefördert wird, wodurch die thermisch kritischen Komponenten des Kühlsystems, insbesondere der Zylinderkopf 18 und der Abgasturbolader (mittels des ATL-Kühlers 34), nachgekühlt werden können.
Bezugszeichenliste

10: Brennkraftmaschine
12: Verbrennungsmotor
14: Zylindergehäuse
16: Zylinder
18: Zylinderkopf
20: Abgasturbolader
22: Niederdruck-Abgasrückführung
24: Hochdruck-Abgasrückführung
26: Kühlkanal des Zylindergehäuses
28: Kühlkanal des Zylinderkopfs
30: Motorölkühler
32: Getriebeölkühler
34: ATL-Kühler
36: Abgasrückführventil
38: ND-AGR-Kühler
40: HD-AGR-Kühler
42: Hauptkühler
44: Heizungswärmetauscher
46: Hauptkühlmittelpumpe
48: erste Zusatzkühlmittelpumpe
50: zweite Zusatzkühlmittelpumpe
52: Bypass zum Hauptkühler
54: erste Steuervorrichtung
56: zweite Steuervorrichtung
58: Steuerungseinheit
60: dritte Steuervorrichtung
62: vierte Steuervorrichtung
64: Drossel
66: fünfte Steuervorrichtung
68: sechste Steuervorrichtung
70: Kurzschlussleitung
72: Dosierventil
74: Frischgasstrang
76: Abgasstrang
78: Ladeluftkühler
80: Kühlmittelpumpe des Nebenkühlsystems
82: Zusatzkühler
84: Bypass zum Zusatzkühler
86: siebte Steuervorrichtung
88: Ausgleichsbehälter
90: Verbindungsleitung
92: Entlüftungsleitung
94: Rückschlagventil
96: Turbine des Abgasturboladers
98: Verdichter des Abgasturboladers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2196661 B1 [0005]
GB 2507342 B [0006]

Claims

Brennkraftmaschine (10) mit einem Verbrennungsmotor (12), einem Frischgasstrang (74), einem Abgasstrang (76) und einem Kühlsystem, wobei eine Abgasrückführung (24) aus dem Abgasstrang (76) abgeht und in den Frischgasstrang (74) mündet und wobei in die Abgasrückführung (24) ein AGR-Kühler (40) integriert ist, der zudem in einen mindestens einen Kühlkanal (28) des Verbrennungsmotors (12) umfassenden AGR-Kühlkreis des Kühlsystems integriert ist, gekennzeichnet durch eine Kurzschlussleitung (70), die einen Auslass des AGR-Kühlers (40) unter Umgehung des Kühlkanals (28) des Verbrennungsmotors (12) mit einem Einlass des AGR-Kühlers (40) verbindet, um einen Kurzschlusskreis auszubilden, in den eine Kühlmittelpumpe (50) integriert ist, wobei eine Aufteilung von Kühlmittel auf entweder den AGR-Kühlkreis oder den Kurzschlusskreis mittels einer Steuervorrichtung (68) steuerbar oder regelbar ist.
Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführung (24) als Hochdruck-Abgasrückführung (24) stromauf einer Turbine (96) aus dem Abgasstrang (76) abgeht und stromab eines Verdichters (98) in den Frischgasstrang (74) mündet.
Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusskreis ausschließlich den AGR-Kühler (40) als Wärmetauschkomponente umfasst.
Brennkraftmaschine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (68) derart ausgebildet ist, dass diese bei einer Temperatur des Kühlmittels, die unterhalb eines Grenzwerts oder eines Grenzwertbereichs liegt, das Kühlmittel vollständig über den Kurzschlusskreis und bei einer Temperatur des Kühlmittels, die oberhalb des Grenzwerts oder des Grenzwertbereichs liegt, vollständig über den AGR-Kühlkreis führt.
Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert oder der Grenzwertbereich zwischen 65°C und 85°C, vorzugsweise zwischen 70°C und 80°C liegt.
Brennkraftmaschine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (68) ein Thermostatventil umfasst.
Brennkraftmaschine (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der AGR-Kühlkreis eine unterbrechungsfreie Verbindung des AGR-Kühlers (40) mit einem Auslass und mit einem Einlass des Kühlkanals (28) des Verbrennungsmotors (12) ausbildet.
Brennkraftmaschine (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (28) des Verbrennungsmotors (12) ein Kühlkanal (28) eines Zylinderkopfs (18) des Verbrennungsmotors (12) ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.